Диоды. Выпрямительные диоды. Стабилитроны. Импульсные диоды. Диоды Шотки.

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.Вольт-амперная хар-ка:

 

Выпрямит. диоды преобр. переменный ток в пост. В связи с этим к емкости, быстрод. и стабильн. пар-в этих диодов не предъявл. жестк. требований. Основой выпрямительного диода явл. несимметр. п-н переход с большой площадью поперечн. сечен, котор. необход. для получ-я большого прямого тока. Низкоомн. обл, имеющ большую концентрацию примеси,называется эмиттером, а высокоомн. обл. с малой концентр. примесей- базой. Сопротивление базовой области у реальных доидов составляет единицы – десятки Ом. Работа выпрямительных диодов основана на вентильных свойствах перехода.Наибольшее применение нашли кремниевые, германиевые, диоды сбарьером Шоттки, а в аппаратуре специального назначения и измерительнойаппаратуре, работающей в условиях высокой температуры, – селеновые и титановые выпрямители. На характеристики диодов влиян. оказ. температ окружающ. среды. ПАРАМЕТРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ: Средний выпрямленный токIпрср, Среднее прямое напряжение диода Uпр ср, Максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр макс, Максимальный обратный токIобр макс,Средняя рассеиваемая мощность диода, Диапазон рабочих температур, Барьерная емкость диода при подаче на него номинального обратного

напряжения составляет десятки пФ, Диапазон рабочих частот, Дифференциальное сопротивление диода.

Стабилитроны предназнач. для стабилизации напр-я в эл-х цепях. Принцип работы стабилитрона основан на явлении эл-го пробоя п-н перехода при подаче на диод обратного напр-я. на вольт–амперной характеристике имеется участок со слабой завис.напр-я от протек. тока.На рис. 2.12 приведена ВАХ стаби-

литрона, условное обозначение и схема включения.

 

 

Стабилитрон всегда включ. пар-но нагрузке.В качестве исходного материала дляизготовления стабилитронов использ. кремний.Импульсн. стабилитроны исп-я для стабилизац. пост-гои импульсного напр-я, а также ограничен.амплитуды импульсов напряж-я малой длит-и.Двухдиодн. стабилитроны работают в схемах стабилизации, ограничителях напр-я различн. полярности, в кач-ве источников опорного напр-я.Стабисторы используются для стабилизации малых значен. напр-я.

Импульсные диоды предназнач. для работы в быстрод-химпульсных схемах и должны обладать

малой емкостью перехода и малымвременем жизни неравновесных носителейзаряда в базе. Импульсн. диоды чаще работают при больших амплитудахимпульсов. На рис. 2.17 приведенапростейшая схема диодного ключа,работающ. на активн. нагр-ку.

Сопр-е нагр-ки обычно значит.больше прямого сопрот. диода и принято считать, что схема питается от генератора тока. При таком генераторе ток не зависит от

сопротивления внешней по отношениюк нему цепи, т.е. от сопротивлениядиода и нагрузки. ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ ДИОДОВ: Максимальное импульсное прямое падение напряжения Uпр макс, Время установления прямого сопротивления t уст, Время восстановления обратного сопротивления

t вос, Емкость диода Cд, Постоянный обратный ток Iобр, Постоянное прямое напряжение Uпр, Заряд переключения Q.

При подаче отрицат. на обл Ме увелич. потенциальн. барьер перехода Ме-полупроводник, ток через диод не протек. Такие диодыназывают диодами Шотки или поверхностно-барьерными диодами (ибо элек-

трическое поле образует барьер на поверхности перехода), или диодами горячих носителей (электроны, инжектируемые из металла в по проводник, имеют высокий энергетический потенциал).К недостаткам диодов Шотки явл-я 1.Ток утечки немного больше, чем у обычных диодов, использующих p–nпереход.

2.Максимальное обратное напряжение ниже, чем у обычных кремниевых доидов. Вольт–амперная характеристика диодов Шотки такая же, как и у обычн. диодов.

 

Биполярные транзисторы: понятие, графическое изображение, классификация. Физические процессы в транзисторах. Режимы работы, схемы включения транзисторов. Основные параметры и статические характеристики биполярных транзисторов.

Биполярным транзистором называют электропреобраз-й прибор, имеющий два p–n перехода, пригодный для усилен.мощности эл-х сигналов. По принципу действия транз. делятся на: биполярные и полевые. В работе биполярных транзисторов использ. носители обоих полярностей (дырки и эл-ны). Особенность биполярного транзистора сост. в том, что между его электронно–дырочными переходами существуетвзаимодействие – ток одногоиз переходов может управлять током другого.По порядку

чередования p–nпереходов транзисторыбывают: n–p–n и p–n–pтипов (рис. 3.1).

Область транзист., располож. между p–n переходами, наз-ют базой. Одна изпримыкающих к базе

областей должнанаиболее эффективноосуществлять инжекциюносителей в базу. Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным. Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы,называют коллектором, а переход коллекторным.По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые. По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. По мощн, рассеив коллекторн. переходом, транз. бывают: малой мощности;средней мощности;большой мощности.По частотному диапазону транзисторы делятся на: низкочастотные среднечастотные, высокочастотн, сверхвысокочастотн.

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция. ИНЖЕКЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА - увеличение концентрац. носит-й заряда в полупр-ке (диэлектрике) в рез-те переноса носителей током из областей с повыш. концентрацией (металлич. контактов)под действ.внеш. электрич. поля. И. н. з. приводит к нарушению термодинамич. равновесия электронной системы в полупроводнике. Если в полупр. в некотором месте образуется избыток носителей зарядов, т. е. концентрация их больше равновесной, то в рез-те теплового движения носители заряда постепенно распределяются по всему полупроводнику, так что концентрация их в среднем всюду оказ-я одинак. Это движение и называют диффузией. После своего появления дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захватаэлектронов зоны проводимости дырками валентной зоны. При этом разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка исчезают. Процесс исчезновения пар электрон–дырка называется рекомбинацией.

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора,различают след-е режимы работы: Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом направл.(открыт), а коллекторный – в обратном направлении (закрыт).Режим отсечки-оба перехода смещены в обратном напр-и(закрыты). Режим насыщения – оба перехода смещены в прямом напр-и(открыты). Инверсный режим-коллекторный переход смещен в прямом направлен., а эмиттерный – в обратном.

Схемы включения транзисторов:

Статические характеристики транзистора устанавливают функциональн. связь между токами инапр-ми транзистора. На практике наибольшее распр-е получ. стат-е хар-ки, в которых в кач-ве независимых переменных приняты входно ток и выходное напряжение, иони описываются следующей системой уравнений:Uвх=f(I вх, U вых),Iвых=f(I вх, U вых). Основными характеристиками этой системы уравнений являются: а) входнаяUвх=f(I вх) при U вых= const,б) выходная Iвых= f(Uвых) при Iвх = const.

Вспомогательные характеристики являются следствием входных и выходн:в) характеристика прямой передачи Iвых= f(Iвх) при Uвых= const; г) характеристика обратной связи Uвх= f(Uвых)при Iвх = const.

Параметры биполярных транзисторов: 1. Коэффициенты передачи базового и эмиттерного токовh_21э=

=∆ I_k/∆ I б, Uкэ=const, h_21б=∆ I_k/∆ I б, Uкб= const 2. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напp-иIкбо = Iк при Iэ=0 3. Максимально допустимый ток коллектораIк мах 4. Наибольшая мощность рассеиваемая коллекторным переходом Pк макс5. Предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера f_h21э– частота, на которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера уменьшается в корень(2) раз по сравнению со своим низкочастотным значением.6. Граничная частотакоэф передачи тока эмиттера – это частота, на которой модуль(h_21э)→1.7 Максимальная частота генерации fмакс – наибольшая частота, на которой транзистор может работать в схеме автогенератора и коэффициент усилен.по мощности становится равным единице.8. Дифференциальное сопротивление эмиттерного переходаr_{э диф}=∆Uэб/∆Iб, Uкэ= const9. Объемное сопротивление области базы r'б10. Дифференциальное сопр-е коллекторного перехода или выходн. проводимостьrк диф=I/h_22э=∆Uкэ/∆IкIб= const11. Емкость коллекторного перехода.12. Коэффициент обратной связи по напряжению h 12б.

 

 

Полевые транзисторы. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом. Схемы включения полевых транзисторов. Основные параметры и характеристики полевых транзисторов.

Полевым транзистором наз-ттрехэлектродный полупроводниковыйприбор, в котором электрический токсозд-я основными носителями зарядапод действием продольного электр. поля, а модуляция тока осуществл. поперечным электрич. полем создаваемым напряжением на управляющ. электроде. Полевые транз. бывают двух видов: с управляющим п-н переходом и с изолированным затвором. Область полупроводника, по котор. проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, от которого начинают движениеосновные носители заряда в канале, называют истоком. Электрод, явл-я

приемником движущихся основн. носителей, называют стоком. Электрод,используемый для управления величиной поперечного сечения канала, назыв-я затвором. Структура полевого транзистора с управляющим p–n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 4.1,а.

Полевой транзистор с управляющим р–n переходом представляет собойтранзистор, затвор которого отделен от канала p–n переходом. Полевой транз. сост. из пластины полупроводникового мат-ла, которая может служить каналом, а с торцов пластины изготовлены два омических контакта, назыв-х истоком и стоком. Канал может иметь электропроводность как n-,так и p-типа. В связи с этим полевые транзисторы с управляющим p–n переходом бывают с n- и p-каналами (рис. 4.1,г,д).

Упрощ-я структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 4.5.

Основой транзистора являетсяподложка, в качестве которой исп-я кремниевая пластинка спроводим-ю n- или р-типа сотносительно высокимудельнымсопротивлением.На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильнолегированныеобласти, не имеющие между собой эл-го соед-я. К этим областям изготавливаютсявнешние омические контакты, которые служат истоком и стоком.Структура транзистора обратима –сток и исток можно менять местами.Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем диэлектрика (двуокисикремния) толщиной 0,05…1 мкм. На слой диэлектрика между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора. Если между стоком и истоком прикладывается внешнее напряжение Uси, то в цепи стока протекает малый обратный ток p–n перехода между подложкой и областьюстока. Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями при увеличении абсолютного значения напряжения на затворе, называется режимом обогащения, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащенного типа.

В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора в усилительной схеме является общим для входной и выходной цепей, используются схемы: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС).Наиболее распространенной является схема с ОИ, аналогичная схеме включения биполярного транзистора с ОЭ. Схема с общим стоком (истоковый повторитель) аналогична эмиттерному повторителю.На практике питание схем осуществляется от одногообщего источника напр-я. При подаче питания на полевые транзисторы с управляющим p–n переходом, для которых стоковое напряжение и напряжение на затворедолжны быть разного знака, необходимое напряжение на затворе может быть создано с пом-ю цепочки автоматического смещения RиCи, включенной вцепь истока (рис. 4.14).Полевые транзисторы с индуцированным каналом, у которых стоковое напряжение и напряжение на затворе имеют одинаковую полярность, смещение назатвор подается обычно с помощью делителя напряжений R1 и Rз (рис. 4.15).

Основные параметры полевых транзисторов: 1. Входное сопротивлениеRзи = dUзи/ dIз. 2. Внутреннее сопротивление R i = dU си/ dIс 3. Крутизна характеристики S = dI c / dU зи 4. Коэффициент усиления по напряжению µ = dU си/ dU зи, Iс=const5. Крутизна характеристики по подложкеSп= dIс/ dUпи, Uси= const, Uзи= const6. Напряжение отсечки Uзи отс – напряжение перекрытие канала 7. Пороговое напряжение Uзи пор.8. Начальный ток стока Iс нас – ток стока при нулевом напр-и Uзи и при Uси равном или превышающем напряжение насыщ-я. 9. Напряжение насыщения Uси нас – напряжстокепри котором происх. перекрытие канала. 10. Обратные токи истокового Iио и стокового Iсо переходов.

11. Максимальная частота усиления, fмакс – частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Статические характеристики. Наличие большого вх. и вых. сопр-й в полевомтранзисторе позволяет исследовать статические хар-ки с помощью генераторов напр-я. Полевой транзистор с управляющим p–n переходомописывается тремя статич-ми хар-ми:

1. Выходные (стоковые) характеристики I_с= f(U_си) при Uзи=const.2. Сток-затворные характеристики (характеристики передачи) I_с= f(U_зи)при Uси=const. 3. Входные (затворные) характеристики I_з= f(U_зи)

при Uси=const.